به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، بیماری آرتروز زانو یکی از مهم‌ترین علل درد مزمن، محدودیت حرکتی و کاهش کیفیت زندگی در بزرگسالان و سالمندان است. در مراحل پیشرفته بیماری، تخریب غضروف مفصلی و تغییرات استخوان زیر آن ممکن است به جراحی تعویض مفصل منجر شود؛ روشی مؤثر برای بسیاری از بیماران که با وجود مزایای قابل‌توجه، محدودیت‌هایی مانند فرسودگی پروتز، احتمال نیاز به جراحی مجدد و دشواری بازگشت کامل به فعالیت‌های روزمره دارد. در تلاش برای عبور از این محدودیت‌ها، گروهی از مهندسان زیست‌پزشکی دانشگاه کلمبیا در آمریکا در حال توسعه مفصلی زیستی هستند که با ترکیب چاپ سه‌بعدی، مواد زیست‌سازگار و سلول‌های زنده، ساختار و عملکرد مفصل طبیعی را بازسازی کند. در این روش، داربستی با شکل متناسب با مفصل زانو ساخته می‌شود و سلول‌های غضروفی و استخوانی در آن قرار می‌گیرند. هدف این است که داربست در مراحل اولیه نقش تکیه‌گاه مکانیکی را بر عهده داشته باشد و سپس به‌تدریج تجزیه شود و جای خود را به بافت زنده و بازسازی‌شده بدهد.

آرتروز یا استئوآرتریت

مفصل زانو یکی از پیچیده‌ترین ساختارهای حرکتی بدن انسان است. این مفصل هنگام راه‌رفتن، بالا رفتن از پله‌ها، نشستن، برخاستن و دویدن، وزن بدن را تحمل می‌کند و نیروهای مکانیکی متغیری را به استخوان‌ها، غضروف، رباط‌ها و بافت‌های اطراف منتقل می‌سازد. عملکرد طبیعی زانو به هماهنگی دقیق این اجزا وابسته است؛ به‌گونه‌ای که آسیب جدی به یکی از آن‌ها می‌تواند بر حرکت و سلامت سایر بخش‌ها نیز تأثیر بگذارد. غضروف مفصلی، بافتی تخصص‌یافته و نسبتاً فاقد عروق خونی است که سطح انتهایی استخوان‌ها را می‌پوشاند. این بافت اصطکاک را کاهش می‌دهد، نیروهای واردشده به مفصل را توزیع می‌کند و حرکت نرم استخوان‌ها را امکان‌پذیر می‌سازد. با وجود این ویژگی‌ها، توانایی غضروف بالغ برای ترمیم خودبه‌خودی محدود است. هنگامی که غضروف در اثر افزایش سن، آسیب، فشارهای مکرر یا بیماری‌های مفصلی تخریب می‌شود، بازسازی کامل ساختار اولیه آن به‌سادگی اتفاق نمی‌افتد. آرتروز یا استئوآرتریت تنها به فرسودگی غضروف محدود نیست، بلکه فرایندی پیچیده شامل تغییرات استخوان زیرغضروفی، التهاب خفیف و مزمن، تغییر عملکرد سلول‌های مفصلی و دگرگونی محیط زیستی مفصل است. به همین دلیل، درمانی که صرفاً درد را کاهش دهد یا تنها یک بخش از مفصل را ترمیم کند، لزوماً قادر نیست عملکرد طبیعی زانو را در بلندمدت بازگرداند.

تاریخچه و زمینه علمی پژوهش

ایده بازسازی بافت‌های آسیب‌دیده با استفاده از سلول‌های زنده و داربست‌های زیستی، حاصل چندین دهه پیشرفت در مهندسی بافت و پزشکی بازساختی است. در این حوزه، پژوهشگران تلاش می‌کنند محیطی فراهم کنند که سلول‌ها بتوانند در آن زنده بمانند، تکثیر شوند، به انواع سلولی موردنیاز تمایز یابند و ماتریکس خارج‌سلولی مناسب را تولید کنند. ماتریکس خارج‌سلولی شبکه‌ای از مولکول‌هاست که به بافت استحکام می‌بخشد و در تنظیم رفتار سلول‌ها نقش دارد. در مراحل اولیه این حوزه، بسیاری از مطالعات بر ساخت بافت‌های ساده یا ترمیم نقص‌های محدود غضروفی و استخوانی متمرکز بودند. با پیشرفت فناوری‌های چاپ سه‌بعدی، امکان طراحی داربست‌هایی با هندسه دقیق‌تر، ساختار چندلایه و ترکیب مواد متفاوت فراهم شد. این پیشرفت اهمیت ویژه‌ای در بازسازی ناحیه اتصال غضروف به استخوان دارد؛ زیرا این دو بافت از نظر ترکیب شیمیایی، سازمان سلولی، میزان سختی و نحوه پاسخ به نیروهای مکانیکی تفاوت زیادی دارند. در پژوهش‌های جدید، هدف دیگر تنها تولید قطعه‌ای با شکل مشابه بافت طبیعی نیست، بلکه ایجاد سازه‌ای است که بتواند رفتار مکانیکی و زیستی آن را نیز تا حد امکان تقلید کند. در مفصل زانو، این هدف دشوارتر است؛ زیرا سازه باید هم‌زمان فشارهای مکرر را تحمل کند، در برابر نیروهای برشی مقاومت داشته باشد، با استخوان اطراف ارتباط برقرار کند و شرایط لازم برای بقای سلول‌ها و تشکیل بافت جدید را فراهم آورد.

شیوه مطالعاتی و فناوری به‌کاررفته

در این رویکرد، نخست ساختاری زیست‌سازگار با هندسه متناسب با اجزای مفصل زانو طراحی می‌شود. چاپ سه‌بعدی امکان کنترل دقیق شکل، ابعاد و آرایش اجزای این ساختار را فراهم می‌کند. برخلاف تولید یک پروتز فلزی معمولی، در این روش انتخاب مواد تنها بر اساس استحکام مکانیکی انجام نمی‌شود؛ بلکه سازگاری زیستی، قابلیت تجزیه کنترل‌شده و توانایی حمایت از تشکیل بافت زنده نیز اهمیت دارد. داربست زیست‌تخریب‌پذیر، بخش اصلی این سازه است. این داربست باید در ابتدای کاشت به‌اندازه کافی مقاوم باشد تا نیروهای ناشی از تحمل وزن و حرکت را منتقل کند. در عین حال، لازم است به‌تدریج تجزیه شود، بدون آنکه پیش از شکل‌گیری بافت جدید، پایداری سازه از بین برود. تنظیم سرعت تجزیه یکی از چالش‌های مهم این فناوری است؛ زیرا تخریب سریع می‌تواند موجب کاهش استحکام شود و تخریب بسیار کند نیز ممکن است مانع جایگزینی کامل داربست با بافت طبیعی شود. مرحله بعدی، آماده‌سازی سلول‌های موردنیاز برای تشکیل غضروف و استخوان است. در طرح دانشگاه کلمبیا، استفاده از سلول‌های خود بیمار یا سلول‌های بنیادی پرتوان القایی به‌عنوان منابع احتمالی سلولی مطرح شده است. سلول‌های بنیادی پرتوان القایی از بازبرنامه‌ریزی سلول‌های بالغ به دست می‌آیند و در شرایط کنترل‌شده می‌توانند به انواع مختلف سلول‌ها تمایز پیدا کنند. برای استفاده در چنین سازه‌ای، لازم است سلول‌ها به جمعیت‌های مناسب برای تشکیل غضروف و استخوان تبدیل شوند و از نظر کیفیت، خلوص و ایمنی مورد ارزیابی قرار گیرند.

نتایج مطالعات

بر اساس گزارش منتشرشده در ۱۵ اکتبر ۲۰۲۶، نمونه آزمایشی مفصل زنده در دانشگاه کلمبیا توانسته است هنگام آزمایش روی زانوی جسد انسان، نیروهای قابل‌توجهی مشابه نیروهای ناشی از راه‌رفتن را تحمل کند. این سازه به سامانه‌ای مکانیکی متصل شده بود که حرکت مفصل را شبیه‌سازی می‌کرد. در آزمایش گزارش‌شده، شکست یا اختلال آشکار سازه مشاهده نشد و مفصل توانست خم و باز شود. این نتیجه از نظر مهندسی اهمیت دارد؛ زیرا یکی از موانع اصلی در ساخت مفصل زیستی، دستیابی به سازه‌ای است که در کنار فراهم‌کردن محیط مناسب برای سلول‌ها، استحکام اولیه کافی نیز داشته باشد. بافت زنده به‌تنهایی نمی‌تواند در نخستین لحظه کاشت تمام نیروهای واردشده به مفصل را تحمل کند. به همین دلیل، داربست باید در مرحله آغازین نقش حمایتی داشته باشد و در طول زمان، با تشکیل و بلوغ بافت جدید، امکان انتقال تدریجی عملکرد به ساختار زیستی فراهم شود. در گزارش دانشگاه کلمبیا همچنین به بررسی‌های آزمایشگاهی درباره سازگاری سلول‌های غضروفی و استخوانی با محیط زیستی مرتبط اشاره شده است. این بررسی‌ها می‌توانند اطلاعات اولیه‌ای درباره امکان استفاده از سلول‌های زنده در طراحی سازه ارائه دهند؛ اما به‌تنهایی اثبات نمی‌کنند که پس از کاشت، بافتی کامل، بادوام و دارای عملکرد طبیعی شکل خواهد گرفت.

دستاوردهای علمی و اهمیت پزشکی بازساختی

مهم‌ترین دستاورد این پژوهش، تغییر نگاه به تعویض مفصل از یک جایگزینی صرفاً مکانیکی به سمت بازسازی زیستی است. در پروتزهای متداول، اجزای مصنوعی وظیفه تحمل بار و فراهم‌کردن سطح حرکتی مناسب را بر عهده دارند؛ اما توانایی تشکیل غضروف جدید یا بازسازی زیستی استخوان را ندارند. در مقابل، مفصل زنده با هدف ایجاد محیطی طراحی می‌شود که سلول‌ها بتوانند در آن بافت تشکیل دهند و به‌تدریج بخشی از عملکرد سازه را بر عهده بگیرند. این تفاوت می‌تواند در آینده برای بیمارانی اهمیت داشته باشد که به علت سن پایین‌تر یا سطح فعالیت بالاتر، ممکن است در طول عمر خود به بیش از یک جراحی تعویض مفصل نیاز پیدا کنند. اگر یک سازه زیستی بتواند دوام و عملکرد مناسبی داشته باشد، احتمال دارد در آینده برخی محدودیت‌های پروتزهای کنونی را کاهش دهد. بااین‌حال، چنین مزیتی هنوز یک هدف پژوهشی است و نمی‌توان آن را نتیجه اثبات‌شده این فناوری دانست. دستاورد دیگر، استفاده از ظرفیت چاپ سه‌بعدی برای ساخت سازه‌های متناسب با ویژگی‌های هر بیمار است. شکل مفصل، اندازه استخوان‌ها و الگوی آسیب در افراد مختلف یکسان نیست. تولید سازه‌های متناسب با آناتومی فرد می‌تواند امکان طراحی دقیق‌تر و توزیع مناسب‌تر نیروها را فراهم کند. البته شخصی‌سازی محصول، کنترل کیفیت و تولید مطابق استانداردهای پزشکی را نیز پیچیده‌تر می‌کند.

پایان مطالب/.